Piidioksidin (SiO2) ultraäänidispergointi

Piidioksidia, joka tunnetaan myös nimillä SiO2, nanopiidioksidi ja mikropiidioksidi, käytetään hammastahnassa, sementissä, synteettisessä kumissa, suorituskykyisissä polymeereissä tai elintarvikkeissa sakeuttamisaineena, adsorbenttina, paakkuuntumisenestoaineena tai hajusteiden ja aromien kantaja-aineena. Alla kerrotaan lisää nanopiidioksidin ja mikropiidioksidin käyttötavoista sekä siitä, miten ultraäänen sonomekaaniset vaikutukset voivat parantaa prosessin tehokkuutta ja lopputuotteen suorituskykyä tuottamalla parempia piidioksidisuspensioita ja helpottamalla piidioksidinanohiukkasten synteesiä.

Nanopiidioksidin (SiO2) ultraäänidispergoinnin edut

Piidioksidia on saatavana monissa hydrofiilisissä ja hydrofobisissa muodoissa, ja sen hiukkaskoko on erittäin pieni, muutamasta mikrometristä muutamaan nanometriin. Tavallisesti piidioksidi ei ole hyvin dispergoitunut kostutuksen jälkeen. Se tuo myös runsaasti mikrokuplia tuoteformulaatioon. Ultraäänikäsittely on tehokas prosessitekniikka mikropiidioksidin ja nanopiidioksidin dispergointiin sekä liuenneen kaasun ja mikrokuplien poistamiseen formulaatiosta.

Ultraäänidispergointi on tekniikka, jossa käytetään voimakkaita, matalataajuisia ultraääniaaltoja hiukkasten dispergointiin ja agglomeraattien hajottamiseen nestemäisessä väliaineessa. Piidioksidin ja nanopiidioksidin dispergoinnissa ultraäänidispergointi tarjoaa useita etuja:

Parempi dispergointi: Ultraääniaallot synnyttävät nestemäiseen väliaineeseen voimakasta kavitaatiota ja akustista virtausta, mikä auttaa hajottamaan piidioksidihiukkasten agglomeraatteja tai ryppäitä. Tämä parantaa dispergointia ja pienentää hiukkaskokoa, jolloin hiukkaset jakautuvat tasaisemmin nesteeseen.

Parempi stabiilisuus: Parempi dispergointi auttaa ultraäänikäsittelyä ehkäisemään hiukkasten uudelleenagglomeroitumista tai sedimentoitumista. Pienemmät ja hyvin dispergoituneet piidioksidihiukkaset ovat stabiilimpia, mikä on ratkaisevan tärkeää sovelluksissa, joissa hiukkasten agglomeroituminen voi aiheuttaa suorituskykyongelmia.

Suurempi pinta-ala: Ultraäänidispergointi pienentää tehokkaasti piidioksidin ja nanopiidioksidin hiukkaskokoa, jolloin ominaispinta-ala kasvaa. Suurempi pinta-ala voi tarjota etuja erilaisissa sovelluksissa, kuten paremman reaktiivisuuden, suuremman adsorptiokapasiteetin ja paremmat mekaaniset ominaisuudet.

Ultraäänidispergointilaite MultiSonoReactor, jonka dispergointiteho on 16 000 wattia, nanopiidioksidisuspensioiden tuotantoon

Ultraäänidispergointijärjestelmä nanopiidioksidisuspensioiden teolliseen tuotantoon

Tehokas sekoitus: Ultraäänidispergointi edistää hiukkasten tehokasta sekoittumista nestemäisessä väliaineessa. Ultraääniaaltojen tuottama akustinen energia synnyttää mikrovirtauksia ja turbulenttista virtausta, mikä helpottaa hiukkasten dispergointia ja tasaista sekoittumista. Tämä on erityisen hyödyllistä tasaisen jakautumisen saavuttamiseksi komposiittimateriaaleissa tai pinnoitteissa.

Ajan ja energian säästö: Ultraäänidispergointi vaatii yleensä lyhyemmän käsittelyajan kuin muut dispergointimenetelmät. Ultraäänikäsittelyllä saavutettava nopea ja tehokas dispergointi lyhentää kokonaiskäsittelyaikaa ja lisää näin tuottavuutta. Lisäksi se voidaan usein tehdä huoneenlämmössä, jolloin liiallista kuumentamista tai kemiallisten dispergointiaineiden käyttöä ei tarvita.

Yksinkertainen ja turvallinen käyttö: Ultraäänidispergointilaitteita on yksinkertaista ja turvallista käyttää, ja ne voidaan helposti integroida olemassa oleviin tuotantolaitoksiin. Ultraäänilaitteiden tarkka ohjaus mahdollistaa prosessiparametrien säätämisen tiettyjen piidioksidiformulaatioiden ja ihanteellisten prosessiolosuhteiden mukaan. Koska ultraäänidispergointi ja agglomeraattien hajotus eivät käytä jauhatuskappaleita, kuten kuulia ja helmiä, vältetään jauhatuskappaleiden aiheuttama ristikontaminaatio ja työläs erottaminen.

Monipuolisuus: Ultraäänidispergointi on monipuolinen tekniikka, jota voidaan soveltaa moniin nestemäisiin väliaineisiin, kuten veteen, liuottimiin ja erilaisiin kemiallisiin liuoksiin. Tämän joustavuuden ansiosta se soveltuu erilaisiin käyttökohteisiin ja teollisuudenaloille, kuten maaleihin, pinnoitteisiin, komposiitteihin, elektroniikkaan ja lääketeollisuuteen.

Nanopiidioksidin dispergointi ultraäänilaitteella UP400St

Pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergointi: Hielscher-ultraäänihomogenisaattori UP400S dispergoi piidioksidijauheen nopeasti ja tehokkaasti yksittäisiksi nanohiukkasiksi.

Piidioksidin hiukkaskoon merkitys

Monissa nanokokoisen tai mikrokokoisen piidioksidin sovelluksissa hyvä ja tasainen dispergointi on erittäin tärkeää. Usein tarvitaan monodisperssi piidioksidisuspensio esimerkiksi hiukkaskoon mittausta varten. Erityisesti käytettäessä piidioksidia musteissa, pinnoitteissa ja polymeereissä naarmuuntumiskestävyyden parantamiseen piidioksidihiukkasten on oltava riittävän pieniä, jotta ne eivät vaikuta näkyvään valoon ja jotta vältetään sameus ja säilytetään läpinäkyvyys. Useimmissa pinnoitteissa piidioksidihiukkasten on oltava pienempiä kuin 40 nm tämän vaatimuksen täyttämiseksi. Muissa sovelluksissa piidioksidihiukkasten agglomeroituminen estää kutakin yksittäistä piidioksidihiukkasta olemasta vuorovaikutuksessa ympäröivän väliaineen kanssa.
Ultraäänihomogenisaattorit dispergoivat piidioksidia tehokkaammin kuin muut suuren leikkausvaikutuksen sekoitusmenetelmät, kuten pyörivät sekoittimet tai säiliösekoittimet. Alla olevassa kuvassa esitetään tyypillinen tulos pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergoinnista veteen.

Kuvassa esitetään tyypillinen tulos pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergoinnista veteen.

Pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergointi veteen

Prosessin tehokkuus piidioksidin hiukkaskoon pienentämisessä

Nanopiidioksidin ultraäänidispergointi on muita suuren leikkausvaikutuksen sekoitusmenetelmiä, kuten IKA Ultra-Turrax -laitteella tehtävää sekoitusta, parempi. Ultraäänellä tuotetaan suspensioita, joiden piidioksidihiukkaset ovat pienempiä, ja ultraäänikäsittely on energiatehokkaampi tekniikka. Pohl ja Schubert vertasivat Aerosil 90:n (2 paino-%) hiukkaskoon pienentämistä vedessä Ultra-Turrax-laitteella (roottori-staattorijärjestelmä) ja Hielscher UIP1000hd -laitteella (1 kW:n ultraäänilaite). Alla oleva kaavio osoittaa ultraääniprosessin paremmat tulokset. Tutkimuksensa perusteella Pohl totesi, että ”Kun ominaisenergia EV on vakio, ultraääni on tehokkaampi kuin roottori-staattorijärjestelmä.” Energiatehokkuus ja piidioksidin hiukkaskoon tasaisuus ovat äärimmäisen tärkeitä tuotantoprosesseissa, joissa valmistuskustannuksilla, prosessin kapasiteetilla ja tuotteen laadulla on merkitystä.

Ultraäänidispergointijärjestelmä, jossa on 2x UIP1000hdT ja jonka ultraäänikäsittelyn kokonaisteho on 2kW, nanokokoisille pigmenteille, kuten nanopiidioksidille

2x 1000 watin ultraäänidispergointilaitteet huuhdeltavassa kaapissa nanodispersioita, esimerkiksi nanopiidioksidia, varten.

Nanopiidioksidin ultraäänidispergointi verrattuna muihin suuren leikkausvaikutuksen sekoitusmenetelmiin, kuten IKA Ultra-Turrax -laitteella tehtävään sekoitukseen

Ultraääni ja Ultra-turrax piidioksidin dispergoinnissa

Alla olevissa kuvissa esitetään tulokset, jotka Pohl sai käsittelemällä sumutuspakastekuivattuja piidioksidirakeita ultraäänellä.

Piidioksidihiukkasia voidaan dispergoida, niiden agglomeraatteja hajottaa ja hiukkasia muokata ultraäänellä (esim. seostaa / funktionalisoida katalyyttisiä sovelluksia varten).

Vasemmalla: REM-kuvia sumutuspakastetuista piidioksidirakeista ennen agglomeraattien hajottamista ultraäänellä
Oikealla: TEM-kuvia ultraäänellä dispergoiduista piidioksidifragmenteista
Tutkimus ja kuvat: Pohl ja Schubert, 2004)

Suorituskykyiset ultraäänidispergointilaitteet korkealaatuisiin piidioksidiformulaatioihin

Hielscher Ultrasonics on saksalainen perheyritys, joka on erikoistunut suorituskykyisten ultraäänihomogenisaattorien kehittämiseen, valmistukseen ja toimittamiseen nesteiden, kiintoainetta sisältävien suspensioiden ja tahnojen käsittelyyn. Hielscher ultraäänihomogenisaattorit käsittelevät luotettavasti piidioksidilietteitä ja muita nanosuspensioita minkä tahansa halutun spesifikaation saavuttamiseksi. Myös erittäin herkät, abrasiiviset tai erittäin viskoosit tuoteformulaatiot voidaan dispergoida ja niiden agglomeraatit hajottaa tehokkaasti ultraäänikäsittelyllä. Edistyneet ultraäänilaitteemme ovat erittäin monipuolisia ja tarjoavat kehittyneitä erä- ja läpivirtauskäsittelymahdollisuuksia. Luotettavasti korkeat laatustandardit ja toistettavat tulokset ovat piidioksidin ultraäänidispergoinnin keskeisiä ominaisuuksia.
Hielscher ultraäänilaitteet edustavat uusinta tekniikkaa ja soveltuvat teollisuuskäyttöön. Niissä on älykäs ja käyttäjäystävällinen valikko, ohjelmoitavat asetukset, automaattinen tietojen tallennus integroituun SD-korttiin, selaimen kautta toimiva etäohjaus ja erittäin vankka rakenne.
Amplitudi on ultraäänikäsittelyyn eniten vaikuttava parametri. Amplitudi tarkoittaa ultraääniaallon suurinta siirtymää tai huipusta huippuun tapahtuvaa liikettä. Ultraäänidispergoinnissa, agglomeraattien hajotuksessa ja märkäjauhatuksessa tarvitaan usein suuria amplitudeja, jotta hiukkaskoon pienentämiseen voidaan kohdistaa riittävästi energiaa. Hielscher teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa poikkeuksellisen suuria amplitudeja. Jatkuva 24/7-käyttö on helposti mahdollista jopa 200µm amplitudeilla. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Pienistä ja keskikokoisista tutkimus- ja kehityskäyttöön sekä pilotointiin tarkoitetuista ultraäänilaitteista jatkuvatoimisen kaupallisen piidioksidituotannon teollisiin järjestelmiin Hielscher Ultrasonics tarjoaa sopivan ultraääniprosessorin, joka täyttää vaatimuksesi ensiluokkaiselle piidioksidin käsittelylle.

Miksi Hielscher Ultrasonics?

korkea tehokkuus
uusinta tekniikkaa
luotettavuus ja vankka rakenne
säädettävä, tarkka prosessinohjaus
erä- ja läpivirtauskäsittely
kaikille tilavuuksille
älykäs ohjelmisto
älykkäät ominaisuudet (esim. ohjelmoitavuus, tietojen tallennus, etäohjaus)
helppo ja turvallinen käyttää
vähäinen huoltotarve
CIP (puhdistus paikallaan)

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Vankka rakenne ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin tekniikka ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Erätilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
0,5–1,5 mL	n.a.	VialTweeter
1–500 mL	10–200 mL/min	UP100H
10–2000mL	20–400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20 L	0,2–4 L/min	UIP2000hdT
10–100 L	2–10 L/min	UIP4000hdT
15–150 L	3–15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100 L/min	UIP16000
n.a.	suurempi	laiteryhmä: UIP16000

Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!

Agglomeraattien hajottaminen ultraäänellä laitteella UP400S tuottaa tehokkaasti dispergoitunutta nanopiidioksidia.

Ultraäänilaite UP400S nanopiidioksidin agglomeraattien hajottamiseen.
Tutkimus ja grafiikka: Vikash, 2020.

Liittyvät aiheet

Mitä piidioksidi (SiO2) on?

Piidioksidi on piistä ja hapesta koostuva kemiallinen yhdiste, jonka kemiallinen kaava on SiO2. Piidioksidilla on monia eri muotoja, kuten sulatettu kvartsi, pyrogeeninen piidioksidi, silikageeli ja aerogeelit. Piidioksidia esiintyy useiden mineraalien yhdisteenä ja synteettisenä tuotteena. Luonnossa piidioksidia esiintyy yleisimmin kvartsina ja erilaisissa elävissä organismeissa. Piidioksidia saadaan louhimalla ja puhdistamalla kvartsia. Amorfisen piidioksidin kolme päämuotoa ovat pyrogeeninen piidioksidi, saostettu piidioksidi ja silikageeli.

Pyrogeeninen piidioksidi / pyrogeninen piidioksidi

Piitetrakloridin (SiCl4) polttaminen happirikkaassa vetyliekissä tuottaa SiO2-savua – pyrogeenistä piidioksidia. Vaihtoehtoisesti myös kvartsihiekan höyrystäminen 3000 °C:n sähköisessä valokaaressa tuottaa pyrogeenistä piidioksidia. Molemmissa prosesseissa syntyvät mikroskooppiset amorfisen piidioksidin pisarat sulautuvat haarautuneiksi, ketjumaisiksi, kolmiulotteisiksi sekundäärihiukkasiksi. Nämä sekundäärihiukkaset agglomeroituvat sitten valkoiseksi jauheeksi, jonka irtotiheys on erittäin pieni ja pinta-ala erittäin suuri. Huokosettoman pyrogeenisen piidioksidin primäärihiukkaskoko on 5–50 nm. Pyrogeenisellä piidioksidilla on erittäin voimakas sakeuttava vaikutus. Siksi pyrogeenistä piidioksidia käytetään silikonielastomeerin täyteaineena ja viskositeetin säätämiseen maaleissa, pinnoitteissa, liimoissa, painoväreissä tai tyydyttymättömissä polyesterihartseissa. Pyrogeeninen piidioksidi voidaan käsitellä hydrofobiseksi tai hydrofiiliseksi joko orgaanisia nesteitä tai vesipohjaisia sovelluksia varten. Hydrofobinen piidioksidi on tehokas vaahdonpoistoaineen komponentti (vaahdonestoaine).
Lue ultraäänellä tehtävästä kaasunpoistosta ja vaahdonpoistosta napsauttamalla tästä.
Pyrogeenisen piidioksidin CAS-numero 112945-52-5

Silikasavu / mikropiidioksidi

Silikasavu on erittäin hienojakoinen, nanokokoinen jauhe, joka tunnetaan myös mikropiidioksidina. Silikasavua ei pidä sekoittaa pyrogeeniseen piidioksidiin. Silikasavun tuotantoprosessi, hiukkasmorfologia ja käyttökohteet eroavat kaikki pyrogeenisen piidioksidin vastaavista. Silikasavu on SiO2:n amorfinen, ei-kiteinen, polymorfinen muoto. Silikasavu koostuu pallomaisista hiukkasista, joiden keskimääräinen halkaisija on 150 nm. Silikasavun merkittävin käyttökohde on käyttö pozzolaanisena materiaalina suorituskykyisessä betonissa. Sitä lisätään portlandsementtibetoniin betonin ominaisuuksien, kuten puristuslujuuden, tartuntalujuuden ja kulutuskestävyyden, parantamiseksi. Lisäksi silikasavu vähentää betonin kloridi-ionien läpäisevyyttä. Tämä suojaa betonin raudoitusterästä korroosiolta.
Lue lisää sementin ja silikasavun ultraäänisekoituksesta napsauttamalla tästä!
Silikasavun CAS-numero: 69012-64-2, silikasavun EINECS-numero: 273-761-1

Saostettu piidioksidi

Saostettu piidioksidi on SiO2:n valkoinen, jauhemainen, synteettinen, amorfinen muoto. Saostettua piidioksidia käytetään täyteaineena, pehmentimenä tai suorituskyvyn parantamiseen muoveissa tai kumissa, esimerkiksi renkaissa. Muihin käyttötapoihin kuuluu käyttö hammastahnojen puhdistus-, sakeuttamis- tai kiillotusaineena.
Lue lisää ultraäänisekoituksesta hammastahnan valmistuksessa napsauttamalla tästä!
Pyrogeenisen piidioksidin primäärihiukkasten halkaisija on 5–100 nm, kun taas agglomeraattien koko on enintään 40 µm ja keskimääräinen huokoskoko on yli 30 nm. Pyrogeenisen piidioksidin tavoin saostettu piidioksidi ei ole olennaisesti mikrohuokoista.
Pyrogeenistä piidioksidia tuotetaan saostamalla silikaattisuoloja sisältävästä liuoksesta. Neutraalin silikaattiliuoksen ja mineraalihapon välisen reaktion jälkeen rikkihappo- ja natriumsilikaattiliuoksia lisätään samanaikaisesti veteen sekoittaen, esimerkiksi ultraäänisekoituksella. Piidioksidi saostuu happamissa olosuhteissa. Saostuksen keston, reaktanttien lisäysnopeuden, lämpötilan, pitoisuuden ja pH:n kaltaisten tekijöiden lisäksi sekoituksen menetelmä ja voimakkuus voivat muuttaa piidioksidin ominaisuuksia. Sonomekaaninen sekoitus ultraäänireaktorin kammiossa on tehokas menetelmä johdonmukaisen ja tasaisen hiukkaskoon tuottamiseen. Ultraäänisekoitus korotetuissa lämpötiloissa estää geelivaiheen muodostumisen.
Lue lisää nanomateriaalien, kuten saostetun piidioksidin, ultraääniavusteisesta saostuksesta napsauttamalla tästä!
Saostetun piidioksidin CAS-numero: 7631-86-9

Kolloidinen piidioksidi / piidioksidikolloidi

Kolloidinen piidioksidi on hienojakoisten, huokosettomien, amorfisten ja enimmäkseen pallomaisten piidioksidihiukkasten suspensio nestefaasissa.
Piidioksidikolloidien yleisimpiä käyttötapoja ovat käyttö vedenpoiston apuaineena paperinvalmistuksessa, hionta-aineena piikiekkojen kiillotuksessa, katalyyttinä kemiallisissa prosesseissa, kosteuden sitojana, kulutusta kestävien pinnoitteiden lisäaineena tai pinta-aktiivisena aineena flokkulointiin, koagulointiin, dispergointiin tai stabilointiin.
Lue lisää kolloidisesta piidioksidista kulutusta kestävissä polymeeripinnoitteissa napsauttamalla tästä!

Kolloidisen piidioksidin tuotanto on monivaiheinen prosessi. Alkalisilikaattiliuoksen osittainen neutralointi johtaa piidioksidiytimien muodostumiseen. Kolloidisten piidioksidihiukkasten alayksiköiden koko on tavallisesti 1–5 nm. Polymerointiolosuhteista riippuen nämä alayksiköt voivat liittyä yhteen. Kun pH lasketaan alle 7:n tai lisätään suolaa, yksiköt pyrkivät sulautumaan yhteen ketjuiksi, joita kutsutaan usein silikageeleiksi. Muussa tapauksessa alayksiköt pysyvät erillään ja kasvavat vähitellen. Syntyviä tuotteita kutsutaan usein piidioksidisoleiksi tai saostetuksi piidioksidiksi. Kolloidinen piidioksidisuspensio stabiloidaan säätämällä pH:ta ja väkevöidään sitten esimerkiksi haihduttamalla.
Lue lisää sonomekaanisista vaikutuksista sooli-geeliprosesseissa napsauttamalla tästä!

Piidioksidin terveysriski

Kuiva tai ilmassa oleva kiteinen silikonidioksidi on ihmiselle keuhkokarsinogeeni, joka voi aiheuttaa vakavia keuhkosairauksia, keuhkosyöpää tai systeemisiä autoimmuunisairauksia. Kun piidioksidipölyä hengitetään ja se pääsee keuhkoihin, se aiheuttaa arpikudoksen muodostumista ja heikentää keuhkojen kykyä ottaa happea (silikoosi). SiO2:n kostuttaminen ja dispergointi nestefaasiin esimerkiksi ultraäänihomogenoinnilla poistaa hengitysteitse tapahtuvan altistumisen riskin. Siksi SiO2:ta sisältävän nestemäisen tuotteen riski aiheuttaa silikoosia on hyvin pieni. Käytä sopivia henkilönsuojaimia käsitellessäsi piidioksidia kuivana jauheena!

Kirjallisuus

Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
Rosa Mondragon, J. Enrique Julia, Antonio Barba, Juan Carlos Jarque (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology, Volume 224, 2012. 138-146.
Pohl, Markus; Schubert, Helmar (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. PARTEC 2004.

Suuren leikkausvaikutuksen ultraäänihomogenisaattoreita käytetään laboratorio-, pöytälaite-, pilotti- ja teollisuuskäsittelyssä.

Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita sekoitukseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.

Suorituskykyistä ultraäänitekniikkaa! Hielscherin tuotevalikoima kattaa koko kirjon kompaktista laboratorioultraäänilaitteesta pöytälaitteisiin ja täysimittaisiin teollisiin ultraäänijärjestelmiin.

Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teolliseen mittakaavaan.